粉煤灰在填充塑料中的应用

2005/9/15 10:15:29

分类号：X773　文献标识码：D▲

　　粉煤灰中含有大量理想的玻璃微珠，因而在填充塑料中具有新的使用价值。

1　填充聚氯乙烯(PVC)

　　从PVC-粉煤灰复合材料红外光谱图可以知道，在940～1190cm^-1处没有表征C-O-Si链的特征峰，表明粉煤灰与PVC间并未发生化学结合，该复合材料纯属物理填充体系，而为了增加两者间的亲和性，常用偶联剂预处理粉煤灰。电镜分析表明，粉煤灰颗粒在PVC基体中呈“海-岛”状分布。
　　这种复合材料的机械性能变化规律与碳酸钙填充PVC复合材料相同，即填充量越大，材料的硬度、弹性模量和抗弯强度越大，而其抗张与抗冲强度则越小，当填充量相同时，灰的细度越高，材料抗冲与抗张强度也越高。此外，热机曲线(T-ε曲线)研究表明，当填充量低于PVC量时，复合材料的软化温度(T_s)与粘流量温度(T_f)均比纯PVC高约4～5℃；当填充量高于PVC量时，因微珠呈现“滚珠效应”，使复合材料流动性增大，从而导致T_s与T_f下降。粉煤灰中的活性金属元素，会促进PVC降解，加速复合材料老化，克服的方法是在配方中增加稳定剂含量或用偶联剂处理形成包裹层。
　　含30～60%粉煤灰的PVC复合材料，适于制造地板、隔音或隔热板。研究表明，在15m²复合材料地板的房间内常年居住，受到的辐射剂量为57毫仑琴当量，远低于国际辐射防护委员会(IRPA)规定的500毫仑琴当量标准。

2　填充聚丙烯(PP)

　　用电镜分析研究PP-粉煤灰复合材料的结构，发现未经偶联剂处理的粉煤灰与PP之间有一圈明显的空隙，是一种纯粹的物理混合，而经过偶联剂处理的粉煤灰与PP结合较紧密，绝大部分界面不太明显。研究还发现，这种复合材料的结构因素中，不仅上述两相界面状态对材料性能有影响，而且粉煤灰的含珠量、粒度也对材料性能有很大影响，参见表1。可见，粉煤灰的含珠量越高、粒度越小和活性越高，复合材料性能越好，尤其是抗冲性能显著改善。

表1　粉煤灰对复合材料性能的影响

项　目	形态因素	拉伸强度 (MPa)	缺口冲击强度 (kJ/m²)
含珠量	95% 87%	22.53 22.50	4.71 3.71
偶联剂	空白 DL-441-DF	22.53 27.00	4.71 6.53
粒度	300～400目 200目	24.33 22.50	4.95 3.70

　　注：复合材料中PP粉煤灰为100∶50

　　PP-粉煤灰复合材料的性能因粉煤灰含量不同而不同。研究表明，粉煤灰含量增加，复合材料的拉伸强度下降，但其抗冲强度出现一个峰值。为使用方便，粉煤灰常被制成填充母料，典型配方为粉煤灰100份，载体树脂10份，偶联剂1份，改性剂及其它助剂10份。这种填充母料对PP力学性能的影响示于表2，从中可知：对力学性能要求较高的产品，母料填充量以0～50份为好。

表2　粉煤灰填充母料填充PP复合材料的影响

母料填充量 (份)	拉伸强度 (MPa)	缺口冲击强度 (kJ/m²)
0	31.49	6.56
20	30.68	7.74
30	31.19	7.49
40	27.59	6.92
60	24.05	5.89

　　含20～25%粉煤灰的PP复合材料，其压缩断裂强度达36.5～38.5MPa，适用于制造排水工程的管道与管件以及汽车零部件等，含30～60%粉煤灰的PP复合材料可用于制造地板、隔音板或隔热板等。

3　填充聚氨酯(Pu)

　　在Pu原料中填充粉煤灰微珠，可使Pu泡沫密度均匀，强度提高，并能增加尺寸稳定性。这种方法，对密度大于160kg/m³的硬质Pu泡沫更为有效。
　　在保证泡沫密度基本不变的前提下，为了获得较高的机械强度可加入适量粉煤灰。表3为硬质Pu泡沫(芯层密度120kg/m³)中加入表观密度为0.9kg/cm³，经200目过筛的粉煤灰(经1%硅烷类偶联剂处理)的试验结果。基础配方为：
　　N-635100份，1、4-丁二醇12份，96010.8份；三乙醇胺0.6份；有机锡0.1份；F₁₁15份；PAPI125份。
　　由表3可见，在一定范围内，随着粉煤灰用量增加，泡沫的抗压强度随之显著提高，这是由于粉煤灰本身的抗压强度在一定程度上改善了泡沫内泡壁的抗压强度；但随着用量进一步增加，当达到粉煤灰本身的抗压强度时，泡沫的抗压强度也就增加缓慢；再进一步增加用量，则由于大量粉煤灰颗粒在一定程度上阻碍了Pu的交联反应，以及粉煤灰与Pu之间粘接强度下降，导致泡沫抗压强度迅速下降，甚至出现泡沫粉化现象。此外，研究还发现，粉煤灰表观密度越小，其增强效果越显著，例如在表3的基础配方中加入5份表观密度0.4kg/cm³经200目过筛的粉煤灰(经1%硅烷类偶联剂处理)，所得泡沫抗压强度为2.50MPa。

表3　粉煤灰用量对泡沫强度的影响

用量(份)	抗压强度(MPa)
0	1.92
5	2.24
10	2.53
15	2.52
20	2.16
25	1.68

　　这种复合材料适于用作管道等的保温层，其强度比玻璃棉高2倍，热传导系数比纤维保温材料低1倍。

4　填充其它材料

　　在环氧树脂和聚酯中填充粉煤灰微珠，可减轻重量、增加强度、提高抗破坏性，可应用于电气工程、深水仪器与设备、船舶以及浇铸模型等方面，还适用于制造室内装饰品与工艺美术品。
　　由涤纶布、聚烯烃与粉煤灰制成的复合布料，其耐燃性相当高，这是因为粉煤灰微珠在高温下能释放CO₂，抑制材料的氧化燃烧过程，所以这种复合布料适用于制造高压电缆的外包复层，也适用于缝制冶炼工与电焊工的工作服及其它防燃制品。■

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